水产养殖中水质远程动态监测系统的开发

1、分类号： 单位代码：10019 密 级： 学 号：s07101211 硕士学位论文 水产养殖中水质远程动态监测系统的开发 development of water-quality remote dynamic monitoring system in aquiculture 国家科技支撑项目“养殖业生产过程信息化关键技术与产品研发” （2006bad10a02）资助 研究生： 史明妮 指导教师： 贺冬仙 副教授 申请学位门类级 别 ： 工学硕士 专业名称： 农业生物环境与能源工程 研究方向： 数字设施农业与环境 所在学院： 水利与土木工程学院 2009 年 6 月 独 创 性 声 明 本人声明

2、所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名： 时间： 年 月 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送 交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学

3、 位论文的全部或部分内容。 (保密的学位论文在解密后应遵守此协议保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名： 时间： 年 月 日 导师签名： 时间： 年 月 日 摘 要 近年来，水产品需求的逐年增加和食品安全恶性事件的影响使得各水产养殖场越来越重视 水质监测技术。针对水产品安全溯源系统和水产养殖品质控制对水质监测的多参数、动态化、 网络化监测需求，本研究基于嵌入式网络和无线通讯技术，开发了能够对多种水质参数如水温、 酸碱度、溶解氧、电导率、氧化还原电位同时进行实时动态采集和远程安全传输的水质远程动 态监测系统，并在水产养殖中进行了实际测试。该水质远程动态监测系统由水质动态监测装置 的现场

4、设备和远程信息服务器组成。水质动态监测装置由传感模块、数采模块、通讯模块和电 源模块组成，用来动态监测水产养殖现场的水质参数信息。远程信息服务器由接入因特网的调 制解调器、虚拟专用网路由器和信息服务器组成，用来实现与现场设备的远程安全通讯与信息 采集。通过在山东东营水产养殖场2年的实证实验表明：该水质动态监测装置的水质参数监测误 差小于5%，远程通讯的丢包率小于3%，系统功耗在13w左右。因此，该水质动态监测装置可作 为无线传感器网络的节点硬件用于大型水产养殖场的分布式水质网络化动态监测，也可用于组 建异地多点的大规模分布式水质动态监测网络，从而为大型养殖场的水质控制和水产养殖管理 部门的水产

5、养殖水质监测提供基础设备和技术支撑。 关键词关键词：溶解氧，电导率，网络安全，酸碱度，氧化还原电位，嵌入式网络技术，无线通讯 abstract water-quality monitoring technology was taken a great attention in aquaculture because of increasing aquatic products and impact of food safety vicious incidents recently. in order to meet the technology requires of water-qualit

6、y monitoring in multi-parameter, dynamic, and networked monitoring, a water-quality remote dynamic monitoring system was developed to monitor dynamically multi-parameter water-quality variables such as water temperature, ph, dissolved oxygen, electrical conductivity, oxidation-reduction potential an

7、d communicate with remote information server in a high security. the water-quality remote dynamic monitoring system consists of water-quality dynamic monitoring instruments and remote information server. the water-quality dynamic monitoring instrument consists of water-quality sensor module, data mo

8、nitoring module, communication module, and power module to monitor dynamically multi-parameter water-quality information. the remote information server consists of internet access modem, a virtual private network router, and an information server to take communication with above instrument and colle

9、ction of the water-quality data. as result of a two-years test experiment in dongying seawater aquiculture company, shandong, the relative errors of each water-quality parameter measured by the above instrument were less than 5%, data lost percentage of remote communication was less than 3%, and pow

10、er energy consumption was less than 13w. therefore, the developed water-quality dynamic monitoring instrument as a note infrastructure of wireless sensor networks can be used to achieve distributed water-quality networked monitoring in a large-scale aquaculture farm, and to construct a distributed w

11、ater-quality monitoring network in multipoint of different cities for aquaculture farm and administration section. keyword: dissolved oxygen, electrical conductivity, network security, ph, oxidation-reduction potential, web-server-embedded technology, wireless communication, 目录 第一章 绪论.1 1.1 研究背景.1 1

12、.2 国内外研究现状.2 1.3 研究内容与技术路线.6 第二章 水产养殖中水质监测参数的确定.7 2.1 水质参数与水产生物之间的动态关系.7 2.2 水质监测参数的确定.15 第三章 水质远程动态监测系统的开发.16 3.1 水质在线传感器的选择.16 3.2 水质动态监测装置的开发.20 3.3 远程信息服务器的构成.26 3.4 水质动态监测网络的组建.29 第四章 水质远程动态监测系统的应用实例 .32 4.1 现场设备的安装条件.32 4.2 水质参数的监测结果.34 4.3 远程动态网络通讯状况.40 4.4 系统运行状况分析.43 第五章 结论与建议.45 5.1 结论.45

13、5.2 问题及建议.45 参考文献.46 致谢 .50 作者简介.51 图表目录 图 1-1 技术路线6 图 2-1 水质主要参数与水产生物之间的动态关系7 图 3-1 水温传感器与变送器 16 图 3-2 ph 传感器18 图 3-3 溶解氧传感器18 图 3-4 电导率传感器19 图 3-5 氧化还原电位传感器 20 图 3-6 水质动态监测装置 21 图 3-7 水质动态监测装置的结构示意图22 图 3-8 流通池的实体照片23 图 3-9 基于 web 服务器的数据采集 板24 图 3-10 cdma 登陆界面 25 图 3-11 cdma 设备的 vpn 设置26 图 3-12 远程

14、信息服务器端 vpn 登陆主界面 27 图 3-13 动态域名绑定 28 图 3-14 水质远程动态监测系统的结构示意图29 图 3-15 分布式水质远程动态监测网络示意图30 图 4-1 山东东营海水养殖场的总体平面布置图32 图 4-2 水质动态监测装置的布置示意图 33 图 4-3 水产养殖水质远程动态监测系统 33 图 4-4 水质传感器检测的实时数据34 图 4-5 数据存储过程35 图 4-6 存储的原始数据 35 图 4-7 水质参数监测结果数据36 图 4-8 传感器的校准曲线38 图 4-9 溶解氧的系统测量值与便携仪测量值的对比39 图 4-10 vpn 连接的监测状态 4

15、0 图 4-11 cdma 设备路由表40 图 4-12 vpn 连接状态41 图 4-13 cdma 设备的网络状态 41 表 2-1 各种鱼虾鳖需溶解氧量9 表 2-2 非离子氨对鱼虾鳖的安全浓度13 表 4-1 系统监测值与对照监测值的比较39 表 4-2 cdma 通讯质量的测试43 表 4-3 系统能耗测试43 list of figures and tables fig. 1-1 flowchat on this study6 fig. 2-1 the dynamic relationship between main parameters of water-quality and

16、 aquatic organism 7 fig. 3-1 installed wt sensor and transducer.16 fig. 3-2 installed ph sensor.18 fig. 3-3 installed do sensor.18 fig. 3-4 installed ec sensor.19 fig. 3-5 installed orp sensor.20 fig. 3-6 water-quality dynamic monitoring instrument .21 fig. 3-7 the configuration diagram of water-qua

17、lity dynamic monitoring instrument22 fig. 3-8 the picture of water flow pipe.23 fig. 3-9 web-server-embedded pic network interface card24 fig. 3-10 interface of cdma25 fig. 3-11 vpn setting of cdma 26 fig. 3-12 the vpn interface of remote information server 27 fig. 3-13 the binding of dynamic domain

18、 name 28 fig. 3-14 the configuration diagram of remote and dynamic water-quality monitoring system29 fig. 3-15 the diagram of distributed water-quality remote and dynamic monitoring network30 fig. 4-1 the horizontal plan of a seawater aquicultivation company in dongying32 fig. 4-2 the appointed diag

19、ram in the water-quality dynamic monitoring system33 fig. 4-3 the remote and dynamic water-quality monitoring system in aquiculture 33 fig. 4-4 real-time data measured by the water-quality sensors 34 fig. 4-5 the data storage process 35 fig. 4-6 the stored original data35 fig. 4-7 the measured water

20、-quality data 36 fig. 4-8 the calibration curve of each sensors 38 fig. 4-9 comparison of do between the measured results by developed system and by portable instrument 39 fig. 4-10 the monitoring status of vpn 40 fig. 4-11 the routing table of cdma40 fig. 4-12 the connection status of vpn 41 fig. 4

21、-13 network condition of cdma41 table 2-1 the dissolved oxygen capacity of various aquatic biota9 table 2-2 the safety concentration of no-ionic ammonia to various aquatic biota13 table 4-1 comparison of the measured results by developed system and by portable instrument39 table 4-2 test of cdma tel

22、ecommunications quality43 table 4-3 test of power energy consumption43 第一章 绪论 1.1 研究背景 80 年代以来，在全球范围内，以陆地为基础的传统农业正面临着日益加剧的人口膨胀、水 土资源紧张和气候条件恶化等危机，今后粮食不足特别是动物食品不足的矛盾将特别突出1。根 据 2008 国家统计年鉴报告：我国于 2007 年的猪、牛、羊肉总产量为 6865.7 万吨，水产品产量 达 4747.5 万吨，水产品在农产品中具有举足轻重的地位；2001 到 2007 年期间的水产品消费逐 年增加，农村居民的水产品消费支出增长了 3

23、1.7%、城镇居民的支出增长了 15.4%，在购买的主 要食品中增长率均据首位2。我国在 2005 年的水产品产量已达 5106.1 万吨，其中来自水产养殖 业的产量为 3393.5 万吨，占水产品总量的 66.52。因此，水产养殖业已经成为为大农业中的 重要产业。 根据联合国粮农组织（fao）统计，依目前每人每年平均水产品食用量计算，预计 20 年后 （2030 年）全球的水产品供应量至少需再增加 4000 万吨，而其中一半来自水产养殖业3 。近 年来，世界范围内出现的水荒以及相当多的水源不同程度的污染，使很多渔场已达到了最大生 产能力，仅仅依靠捕捞渔业已经无法满足逐年增长的全球水产品需求。

24、因此，水产养殖业在未 来的 30 年来之内将成为全球范围内最具发展潜力的农业新型产业。 改革开放以来，我国水产养殖业发展迅速，但是大多数的养殖模式都是以消耗资源、牺牲 环境为代价的，这种发展模式严重阻碍了渔业现代化的进程，也很难满足国内外对水产品发展 的需求4。水产养殖业的发展应以满足市场需求，提高人民生活质量，同时保护资源与环境为目 标。为了实现上述目标，一方面需大力挖掘资源潜力，增加水资源利用率和再利用率；另一方 面要提高养殖密度从而提高单产和经济效益。高密度集约化的水产养殖技术代表国家水产科技 在世界发展的水平和地位，反映一个国家的实力，也是实现农业现代化的重要组成部分1。为此， 大力发

25、展高科技水产养殖，推出适合我国国情的高密度集约化水产养殖配套技术和设备刻不容 缓，其中水产养殖的水质监控是制约水产养殖业发展的技术瓶颈之一。 随着我国水产品需求的不断增加，水产品质量安全问题成为制约水产养殖业进一步发展的 瓶颈。多年来，由于人们过度关注水产品数量而忽略其品质控制，致使很多水产品品质达不到 国际标准给养殖业者造成巨大的经济损失5。例如：1988 年我国出口到日本的鳗鱼由于被检测 出恶喹酸超标而遭索赔，价格从每吨 20000 元降至 5000 元，使我国的养鳗业遭受重创；我国出 口的水产品多次经欧盟检测发现含沙门氏菌、创伤弧菌和霍乱弧菌，由此严重制约了我国水产 品的出口，影响了我国

26、海水养殖业的健康可持续发展。在我国，由于食用不安全的水产品引起 食源性中毒的事件也有不少报道。1988 年上海 30 万人患甲肝病就是由食用被甲肝污染而未充分 加热的毛蚶引发的6。因此，利用水质监测技术保障水产养殖的水质环境，使其适宜水生物生长， 及时有效地防治各种病害，最终才能生产出优质无公害的水产品，这也是建立水产品安全溯源 系统的技术支撑。 1.2 国内外研究现状 水产养殖业在国内外起步不一，发展模式不同，总体而言国外水产养殖业发展比国内快。 水产养殖场水质监控系统的研究涉及到水产养殖系统、水质自动监测技术、智能控制模型等几 个方面的内容。就此进行文献检索和分析，了解了相关领域的研究现状

27、，借鉴先进研究技术。 1.2.1 国外研究现状和发展趋势 1）水产养殖技术介绍）水产养殖技术介绍 工厂化水产养殖是通过生物、物理及化学方法的有机结合，进行适当的水处理使得水产养 殖水域达到适宜的状态，形成不受自然条件影响的半循环式或循环式的较高密度养殖方式。与 传统的池塘、流水、网箱等养殖方式相比，工厂化水产养殖有效利用了机、电、化工、仪表自 动化、计算机等现代科学技术，对养殖环境的主要因子或主要过程如水温、水流、溶解氧、消 毒、污水处理及应急反应等进行人工控制，并进行合理的生产管理，使水产对象能够在适宜的 环境中生长。 自六十年代初期日本在群马县开始进行工厂化养鱼以来，世界各国特别是加拿大、

28、美国、 德国等也纷纷开发了工业化养殖技术，使得工厂化水产养殖在近几十年来逐渐发展成为一种高 效的规模化生产模式7。近年来，水产养殖的自动化技术获得了很大的进展，在水体消毒、净化、 池底排污、增氧及控温方面都能实现自动控制，使得工厂化水产养殖达到了相当高的自动化程 度8。例如，液态纯氧增氧技术在西欧工厂化养鱼业中开始应用，增加水体中的溶氧量可以提高 养殖密度，降低饵料系数；美国和瑞典等国研制了压力震荡吸收系统进行制氧，用于鱼类养殖 生产使得养殖水域中的含氧量达到饱和值的 8598%9。 最近几年，美国、丹麦、日本和我国等国家在水产养殖业中发展了鱼菜/鱼藻共生系统。鱼 菜/鱼藻共生系统利用养殖肥水

29、培育蔬菜、花卉、水果、藻类，既能最大限度地提高水产品和蔬 菜等的产量，又能净化水质，把污染降至最低程度，从而形成小环境生态系统的良性循环。美 国布林汉扬大学的 s克莱教授曾对商业性水产养殖系统与鱼菜共生系统作了经济比较，认为鱼 菜共生系统不仅在技术上而且在经济上都是可行的，具有很大的开发价值，因此，鱼菜/鱼藻共 生系统将成为未来养殖业的发展趋势10。 2）水产养殖的水质监控）水产养殖的水质监控 国外的工厂化水产养殖拥有完善的水质监控系统，对养殖水体中的温度、酸碱度、溶解氧 等具有重要意义的水质参数进行在线监测，并进行自动控制。可以说，水质监控是工厂化水产 养殖必不可少的组成部分。 德国、法国、

30、丹麦等国代表世界高密度集约化养殖的先进水平，工厂化水产养殖场一般都 能利用物理、化学和生物的手段对水质进行自动采集、调控从而达到利用危害分析的临界控制 点（hazard analysis and critical control point，haccp）操作规程来组织生产11。美国和日本从 80 年代起就开始使用多参数的水质连续测定仪，使水质监测完全实现自动化。 挪威的水产养殖经过数十年的发展己成为一个新型的蓬勃发展的产业，尤其是蛙的养殖已 经处于世界领先水平。蛙养殖场的孵化场完全实现了科学管理，水温控制与饵料施用都是配合 起来进行监测、控制12。 日本日立制作所研制的鱼池水质监视系统不仅可以

31、自动监测水质，还能利用人工智能来监 视和分析鱼的变化13。该系统能够准确地测定水的溶解氧、酸碱度和温度，并及时查出是否混 入了氰、农药、硫酸铜和苯酚等有毒物质；同时利用由摄像机和微机追踪鱼群，根据水质恶化 或缺氧时鱼会浮头的特性分析鱼的变化。 美国提出了可用于高密度水产养殖系统的基于微机的程序控制技术进行海水鱼的生长环境 控制14。美国 imbach 生物设备公司研制了一种水产养殖专用 fw60 型便携式微电脑，用于自 动记录鱼池内水温变化、水体溶解氧、盐度以及各鱼类的增长分级等数据资料15。sergio bermejo 等16提出的水质在线监测系统通过一种离子选择性场效应管的智能阵列来检测离

32、子浓度 信号，智能传感器通过盲信源分离算法从上述智能阵列的输出混合信号中监测出离子浓度。 3）水质监控技术的发展趋势）水质监控技术的发展趋势 近年来，发展集成化、智能化、网络化的水质传感器或在线监测系统已经成为如今的技术 主流和发展方向。多参数水质监测装置不仅要求保证测量精度，扩大测量范围，还要求经济实 用，易于实现网络化监测与管理。以传感器、计算机、网络技术、自动控制等领域交叉和技术 融合为基础的多参数水质监测技术应用已经成为水产养殖发展的必然趋势，各水质参数信息的 综合利用不仅直接关系到生产管理与决策支持系统，还直接影响到水产品的品质管理和经济效 益17-18。 1.2.2 国内研究现状

33、1）水质监控技术）水质监控技术 郭小青等（2001）提出了基于 can 总线和 pc 的水质参数在线监测系统，实现对酸碱度、 氧化还原电位、浊度、电导率、溶解氧、余氯等水质参数的实时监测19 。宋德敬等（2002）开 发出一种多点在线水质监测系统，该系统集多路数据采集、测量、转换、计算、储存、显示、 打印、报警等功能于一体，可同时在线监测 6 个不同监测点的水质情况；对每一个监测点，可 同时监测其溶解氧、温度、电导率、酸碱度、氧化还原电位、盐度等 6 个参数20。 李欣等（2002）开发了基于 labview 的水质监测虚拟仪器对水质的氟离子、氯离子、溶解 氧、化学需氧量、生物需氧量等参数进行

34、监测21。黄志敏等（2003）对基 ipc 的水质在线监测 虚拟仪器进行了研究，该系统采用具有虚拟仪器面板的工控计算机仪器（简称虚拟仪器）的设 计模式，改变传统化学测试仪器的设计思想，成功研制了水质在线监测虚拟仪器22。陈志聪等 （2007）根据未知溶液的浓度与荧光信号强度数值的关系，设计了一款基于 ht46r24 单片机的 在线荧光水质监测仪，快速准确的测定及调节水中待测物质的浓度23。 董甲彬等（2007）提出一种基于 gprs 技术的水质监测系统，实现水质信息（金属有机物、 无机物等）的采集、传输和处理的自动化24。赵静等（2008）对无线传感器网络应用于水质监 测系统进行研究，介绍了为

35、其实现提供保证的 zigbee 技术25。 杜治国等（2008）在研究无线传感器网络及 zigbee 协议标准的基础上，对远程实时水质监 测系统进行了分析，提出了基于 zigbee 无线传感器网络与互联网结合的远程实时水质监测系统 架构，设计了基于无线传感器的水质监测网络体系结构，实现了水温、酸碱度、溶解氧、浊度、 电导率、氨氮、化学需氧量、生物需氧量等水质监测参数的获取及传输26。 中国专利“一种多参数水质监测方法及装置” (审定公告日为 2005 年 1 月 19 日、公开号为 cn1566958a）通过离子敏电极和传感器采集到的模拟信号经 a/d 转换电路转变为数字信号，可 以实现水温、

36、溶解氧、酸碱度等水质多项理化指标的在线监测27。中国专利“环保水质远程监 控报警系统” (审定公告日为 2005 年 6 月 8 日、公开号 cn162511oa）通过中心计算机、基站 计算机和在线监测仪进行联网，提供了水质监测的一种无线解决方案。使用该专利技术组建无 线局域网不能进行实施长远距离和大范围的数据传输，其数据安全性也难以保障28。 2）水产养殖的水质监控技术）水产养殖的水质监控技术 我国水产养殖业起始于 70 年代，从 80 年代开始逐步从传统的池塘养殖走向工厂化养殖。 1979 年作为科研攻关项目的“中国对虾工厂化人工育苗技术的研究” ，开发对虾养殖的控温、充 气与搅拌技术，饵

37、料商业化与营养供给技术，较为全面地形成我国水产养殖工厂化的基础模式 29。目前工厂化水产养殖之所以发展较慢，主要因为国内发展工厂化水产养殖配套技术和设施 少，而国外设备能耗大，投资高、进口一套国外的工厂化水产养殖系统约需 1200 万人民币30。 水产养殖的水质监测的研究近年才起步，过去一般只能对流量、水温和溶解氧三项进行监 测，采用阈值法进行水质控制。工厂化水产养殖水质监测的技术瓶颈之一是自动监控的传感器 质量问题。我国水化学仪表和传感器比较落后，对于水质自动监测系统中使用的传感器，国产 传感器除了温度、酸碱度、溶解氧方面质量较好外，多数传感器性能不稳定、质量较差、使用 寿命低、标定校准操作

38、复杂。 我国的水产养殖业中对水质的监测多半停留在使用监测仪定期采样上，在线监测系统很少。 早期开发的水产养殖水质自动监测系统和装置也存在一些问题，主要体现在水质环境的监控还 处于一种单传感器、单参数的分析基础上，水质监测设备自动化程度低，同时监测的参数少、 实时性差，不能对水质情况进行全天候的监控；水质监测系统的网络化程度不高、主要的采集 网络还是采用简单的 485 总线技术为主，适应恶劣环境的能力差、设备故障率高，或者代价费 用较高致使不宜大范围内安装应用；系统组网技术单一，通常只采用无线局域网技术构成总线 型结构，新兴的自组网技术方案没有得到应用和体现，不能实现长远距离的数据传输；网络速

39、度及数据传输的安全性难以保障。目前，水质监测系统大多采用国外的设备和技术，国外进口 的价格十分昂贵，一套监控氨氮的装置的价格需要人民币 55 万元31，即使引进到水产养殖方面， 也无法推广使用。目前的养殖水平要求全套的监控设施价格不能超过 10 万元。 针对水产养殖中水质监测系统存在的这些问题，以及环保、水利领域所应用的水质监测技 术的研究现状，国内不少科研单位对水产养殖的水质自动监测和调控进行了大量的研究，取得 了很多阶段性成果。 我国国家级罗非鱼原种场广东罗非鱼良种渔场安装水质自动监控系统，对酸碱度、溶解氧、 浊度、温度进行测量监控。上海水产大学李季冬等（1999）对工厂化水产育苗温室技术

40、进行了 研究，并采用多路转换技术减少水质参数传感器的使用，大大降低了仪器设备费用32。河南省 水产科学研究所朱文锦等（2001）对水产养殖环境参数的监控也进行了研究，开发了一套监控 系统，该系统具有监测、运算、预测、图形显示、打印、自动与手动功能33。 卢文华等（2002）利用 mcs-51 系列 89c51 单片机开发了 6 参数的水质在线采集仪，利用 一台 pentium 11 的 pc 机进行数据采集，通过对水质参数的在线监测调整养殖水域的管理，提高 了水产养殖的经济效益34。吴沧海等（2002）开发了一套渔业水质自动监控系统，解决渔业生 产过程中增氧、投饲、污水零排放和水质自动调理等环

41、节的控制技术35。 中国水产科学研究院渔业机械研究所（2003）完成了“广东罗非鱼良种场育苗车间”的设 计建造。该车间分为亲鱼池、孵化池、鱼种暂养池等生产区域，全部采用玻璃钢水池和循环水 系统，研制有先进的脉冲式生物过滤器，具有水温设定控制、水质多参数检测、生产过程监控 等功能36。张如通、刘星桥（2005）提出了一种基于 bp 神经网络的水产养殖水质监控系统。利 用神经网络所具有的任意非线性表达能力，建立自学习的 pid 控制算法来控制水环境溶解氧的 含量，通过对系统性能的学习，从而实现具有最佳组合的 pid 控制。同时采用移动 gprs 无线 通讯技术进行远程数据采集和监控，在远程和现场监

42、控的 2 台工控机上设计了功能丰富的监控 软件，方便了用户在不同地方进行远距离监控，性能稳定37。 江苏大学秦云等（2006）利用 winsock 控件在 tcp 和 udp 协议基础上建立的网络化水产 养殖监控系统。该系统采用服务器/客户机模式。以实时数据库为核心，利用 winsock 实现众多 功能模块之间的数据通信，从而构成了一个功能丰富、操作灵活方便的系统38。 中国水产科学研究院黑龙江水产研究所（2006） ，主要研究水产养殖的监控，目前能比较成 功有效的进行水体中温度、酸碱度、溶解氧的控制39。江苏大学电气信息工程学院崔玉玲 （2006）等设计的工厂化水产养殖监控系统，基于 pc

43、机采用移动 gprs 无线通讯技术和互联网 技术进行远程数据采集和基于神经网络的水质监控系统40。 利用嵌入式网络技术和传感器节点技术实现集约化水产养殖的数字化、网络化、分布式的 本地或远程的实时动态水质调控是未来的发展趋势。养殖水质监控系统的网络采用有线和无线 相结合的方法，实现系统的数字化运行是发展趋势。 不管是在环保还是水产养殖领域，许多科研单位在水质监测方面取得巨大成就。但在水产 养殖方面，建立区域化大规模水质监测系统，而且真正用于水产养殖生产管理的很少。但很少 能实时在线进行多参数同时监测；对于偏远山区，需要使现场传感器的数据能够通过无线链路 直接在网络上传输、发布和共享数据并传到远

44、程监测站，而目前实现远程动态传输的系统很少； 传感器技术的发展需要对更多的水质因子监测，如何实现在原有系统的基础上增加监测参数； 规模化养殖监测点的不断增加，对于系统的可扩展性也提出要求。同时也提出如何针对需要方 便增加各种 i/o 设备，怎样提高网络的通信性能等一系列问题。 1.3 研究内容与技术路线 本研究基于嵌入式网络技术开发多参数的水质动态监测装置，实现对水温、酸碱度、电导 度、溶解氧、氧化还原电位、室温、相对湿度、光照度等水质和环境参数的实时动态监测；利 用基于 wifi 和 cdma 的无线通讯技术与基于 vpn 的网络安全技术实现水产养殖现场的水质参 数的无线安全化的远程传输。该

45、装置和技术可以直接用于水产养殖场的水质监测，为水质控制 和食品安全溯源系统提供硬件设备和数据支持。用该水质动态监测装置作为无线传感器节点设 置到各大型养殖场的监测现场，利用树型或星型网络拓扑结构组建多区域、大范围、分布式的 水质远程动态监测网络，为水产养殖业的生产者和管理者提供基础设备和技术支持。 提出问题 确定目标 水产养殖中水质监测参数的确定 水产养殖中水质远程动态监测系统的组建和实证实验 水质动态监 测装置的开发 远程信息服 务器的构成 水产养殖监 测网络的组建 结论与建议 图 1-1 技术路线 fig. 1-1 flowchat on this study. 第二章 水产养殖中水质监测

46、参数的确定 为了“防止和控制渔业水域水质污染，保证鱼虾、贝、藻类正常生长，繁殖和水产品的质 量” ，国家环境保护部于 2005 年 6 月颁布了渔业水质标准 ，提出了渔业水质标准的各项指标 和监测方法41。经过渔业工作者和养殖专业人员的努力，我国水产养殖业在农业产值结构中的 比例在不断提升，并逐渐成为农业中的支柱产业之一。但是，农业化肥、农药的使用，工业污 水、废气的大量排放，对环境产生重大影响，特别是对江河湖海水域水质的污染，对水产养殖 环境造成很大的破坏。在水产养殖生产过程中，水生生物与水体的光照、温度、溶解氧、浮游 生物、有机耗氧量、酸碱度、氨氮、磷酸盐等水环境因子之间的相互作用关系，直

47、接关系到水 产动物鱼、虾、蟹、鳖的生长和发育，从而关系到水产养殖业的产量、质量和经济效益。 2.1 水质参数与水产生物之间的动态关系 水生物系统包括水生环境和水生物两大部分。组成水生环境的成分种类繁多，大体上包括 无机盐、碳素、氨盐、磷盐，以及温度、溶解氧、ph 等。水生物分成水生植物和水生动物：水 生植物主要是指各种藻类；水生动物则包括了水中的鱼类、贝类和无脊椎类动物。 盐度 水生动物藻 类 浊 度 溶解氧ph温 度 铵 盐 磷酸盐 电导率 碳素 氮素 磷源 (-) (+) (-) (-) (-) (-)(+) (+) (-) (+) (+) (+) (+)(-)(-) (+) 图注：(-)

48、表示负相关，(+)表示正相关 图 2-1 水质主要参数与水产生物之间的动态关系 fig. 2-1 the dynamic relationship between main parameters of water-quality and aquatic organism. 影响水生动物生长与发育的主要因子为电导率、浊度、酸碱度、溶解氧及水温（图 2-1） 。 电导率、浊度、酸碱度、水温均与水生动物呈负对应关系，值越高对动物越不利。水中的溶解 氧则与水生动物数量呈正对应关系，随着溶解氧的提高，水生动物的呼吸作用加强，新陈代谢 变得旺盛，因而数量就会越多。水中溶解氧含量又与温度有关，温度升高，溶解

49、氧含量反而变 少，温度通过溶解氧这一间接因素对水生动物起到的作用也呈负对应关系。 水中溶解氧及浊度的变化很大程度上取决藻类的数量。藻类属于生产者，其工作效率依藻 类所含的叶绿素多少而定，藻类的工作能力则是效率和数量的乘积确定的。随着水中藻类数量 的不断增多，水的 ph 值会升高，同时水中的悬浮物明显增加，浊度也因此不断提高。藻类对水 中溶解氧的影响分两种情况讨论：白天有光照时，藻类进行光合作用，水中溶解氧含量升高； 夜间没有光照时，藻类只进行呼吸作用，会消耗水中溶解氧。水中藻类的数量又与氮源、磷源 呈正相关关系。 另外，水环境参数之间还存在一些对应关系，如电导率越高，表明水中溶解的固体盐越多；

50、 碳源越多，消耗水中的溶解氧就越多；铵盐增多，溶解氧会减少等。 目前渔业养殖水域的环境监测项目主要有：水温；溶解氧；ph 值；氨态氮；亚 硝酸盐；硫化氢；盐度41。鉴于此，本章主要涉及这几种水质参数间的相互关系及对水产 养殖的影响。 1）水温）水温 水温（water temperature，wt）是水体温度的表征，随不同的地理位置、不同纬度、不同 栖息环境、不同季节等条件而变化。温度不仅影响着养殖鱼类生长和生存，而且水温对其它环 境条件的改变而间接对养殖鱼类产生作用，几乎所有的环境因子都受温度的制约。 鱼类属变温动物，体温随水温的变化而变化，水温直接影响鱼的生存和生长。鱼类根据其 适温范围的高

51、低分为热带性鱼类、温水性鱼类和冷水性鱼类，根据适应范围的大小又分为广温 性鱼类和狭温性鱼类，如虹鳟是冷水性鱼类，最适生长水温 1018，水温越高越容易引起养 殖鱼类缺氧浮头，超过 25，其他条件再优越，也不能生存。若水温常年偏高，就不适宜养殖 冷水性鱼类。又如草、鲢、鳙等是广温性鱼类，水温超过 15 才摄食旺盛、生长快，如果池水 长年低温，就不能养殖这些鱼。因此，当地水源水温高低是选择养殖鱼类的基本依据42-43。 水温直接影响鱼类的代谢强度，从而影响鱼类的摄食和生长。一般在适温范围内，随着温 度的升高，鱼类的代谢相应加强，摄食量增加，生长也快。这通常符合范霍夫定律，即温度每 升高 10c，生

52、理过程的速度加快 23 倍，但过于高温，会抑制鱼虾生活，甚至死亡44。温度急 剧下降，鱼虾会陷入休眠，在冰点以下，鱼虾因体液冻结而死，各种鱼类都有自身生长的适温 范围和最适宜的温度范围45。北方养殖鱼类鲤、草、鲢、鳙、鲫鱼生长的适温范围在 1532， 最适生长水温为 2028。高于或低于适宜温度都会影响鱼类的生长和生存。上述鱼类在水温 降 15以下时，食欲下降，生长缓慢；低于 10 时，摄食量便很快减少；低于 6时，会停止 摄食；水温高于 32时，食欲同样会降低。北方池塘水温在 15以上的时期 1 年有 5 个月左右 （59 月份） ，为提高生产效果，必须在最适温度期间加强饲养管理，加速鱼类的

53、生长。水温影 响鱼类的性腺发育和决定产卵开始的时间。我国南部地区由于全年水温比较高，鲢、鳙、草、 青鱼性腺发育也较快，成熟较早，性腺成熟年龄一般比北方早 12 年。虽然南北地区亲鱼产卵 开始时间前后相差较悬殊，但水温却相差不大，一般都在 18开始产卵46-48。青、草、鳝鱼人 工催产的适宜水温为 22-28，18以下催产效果差，15以下催产则亲鱼无反应。 水温由于影响水中的溶氧量而间接对鱼类有很大影响49。池塘的溶氧量随水温升高而降低， 但水温上升，鱼类代谢增强，呼吸加快，耗氧量增高，加上其他耗氧因子的作用增强，因而容 易产生池塘缺氧现象，这在夏季高温季节特别明显。水温也影响其它有害气体的浓度

54、如氨气、 硫化氢等，同时温度对池塘物质循环有重要影响。水温直接影响池中细菌和其他水生生物的代 谢强度，在最适温度范围内，一方面细菌和其他水生生物生长繁殖迅速，同时细菌分解有机物 质为无机物的作用加快，因而能提供更多的无机营养物质，经浮游植物吸收利用，制造有机物 质，使池中各种饵料生物加速繁殖。 2）溶解氧）溶解氧 溶解氧（dissolved oxygen，do）是溶解在水或液相中的分子态氧，是水生生物和植物生 存不可缺少的条件。鱼类只有在水中的溶氧量达到一定值后，才能维持其生命活动，且在一定 的范围内，水中溶解氧量和鱼产量成正比，即水中溶解氧量越多，鱼产量越高；水中溶解氧量 与饲料系数成反比，

55、即水中溶解氧量越高，饲料系数越低50。 水中溶解氧的标准，视不同养殖品种和不同水温而定。我国养殖的几种主要鱼类，在成鱼 阶段可允许的溶解氧含量为 3 mg/l 以上，当溶解氧降低到 2 mg/l 以下时，鱼就会发生轻度浮头 现象，降低到 0.60.8 mg/l 时，鱼就会严重浮头，降低到 0.30.4 mg/l，鱼就会死亡51-52。适 宜溶氧量在 55.5 mg/l 或更高，过饱和的氧一般对鱼类没有什么危害，但水中溶氧量不是越高 越好，当池水中溶氧量饱和度达 150%以上，溶氧量达 14.4 mg/l 以上时，易引起鱼类气泡病53。 表 2-1 为几种鱼虾鳖所需溶解氧含量的典型值。 表 2-

56、1 各种鱼虾鳖需溶解氧量 table 2-1 the dissolved oxygen capacity of various aquatic biota 品种适宜范围 mg/l开始浮头 mg/l窒息死亡 mg/l 鲤鱼581.50.3 鲫鱼451.00.1 鲢鱼5.581.750.6 鳙鱼481.550.4 草鱼581.60.5 罗非鱼691.50.2 大口鲶鱼581.40.7 鲮鱼481.60.5 梭鱼581.80.7 中国对虾681.40.4 斑节对虾581.20.3 罗氏虾791.50.5 河蟹52.51.5 表注：四川省农业信息工程技术研究中心 http:/. 电子农务一农村先进实用

57、技术之十四 水池中溶解氧在白天随着太阳的升起而逐渐上升，至下午达到最高值，此后溶氧量逐渐下 降，至第二天早晨黎明时达到最低值。水中的饱和溶氧量一般为 711 mg/l，仅为空气中含氧 量的 5%，但由于风对水池的影响较小，空气中的氧气溶解于水的部分十分有限，水池中的溶解 氧主要来源于水生植物（主要是浮游植物）的光合作用。在精养池中，晴天浮游植物光合作用 产生的氧气可以达到精养池的一昼夜溶解氧总吸入的 90.3%，空气中氧气扩散溶入水中的仅占 9.5%。而池水中消耗溶解氧最多的为浮游生物（晚上） 、细菌的呼吸和水中有机物的氧化分解， 可占到 72.19%，鱼类耗氧占 16.1%，上层过饱和逸出的

58、约占 10.4%，底泥耗氧约 0.6%5254。因 此了解水中溶解氧的变化规律，从而人为控制溶氧量保持在最佳范围内，对提高养殖产量和经 济效益具有重大意义。 鱼类生活在水中，用鳃进行气体交换，故水中溶氧的多少直接影响着鱼类的新陈代谢。水 温升高时，鱼的新陈代谢增强，呼吸频率加快，耗氧量增大，水中的溶解氧就会减少。由于浮 游植物光合作用受光线强弱的影响，池中的溶解氧也随光线的强弱而变化。一般晴天比阴天的 溶解氧高。晴天下午的含氧量最高，上层池水的溶氧呈饱和状态。黎明前含氧量最低，这时无 增氧设备的中等产量的池塘一般都有浮头现象。在低压、无风浪、水不流动时的溶解氧较低， 在气压高、有风浪、水流动时

59、的溶解氧较高55。当水中的溶氧量充足时，鱼摄食旺盛，消化率 高，生长快，饵料系数低。 水中氧的溶解度与温度有关，温度升高，溶解度降低。其次，溶解氧与养殖水域中的有机 物和无机物的含量有关，其分解氧化作用会消耗水中大量的氧气，其溶解氧的数值比纯净水中 的数值要低。溶解氧对鱼类发生影响的另一途径是通过对池中有机质的氧化分解，以促进吃水 质的物质循环和消除一些有毒的生物代谢产物。如在高溶氧水中，好氧性腐败细菌的活动强烈， 有机质分解快，氨会很快转化为无毒的硝酸盐，硫化氢转化成硫酸，成为对生长的鱼虾等无害 的物质56。 3）酸碱度）酸碱度 酸碱度是指酸碱程度，通常用 ph 作为衡量标准。ph（p 德语

60、 potenz，代表力量或浓度，h 代表氢离子）是氢离子浓度指数，亦溶液中氢离子活度的一种标度。 ph 是养殖水质的重要指标，它的变化直接影响鱼类的生理活动外，还通过改变环境中其它 理化及生物因子而间接作用鱼类，ph 对养殖水体的水质、养殖对象和水生植物有重要影响57 。大多数水生生物一般都喜欢生活在微碱性的水中，酸性和碱性太强都不适合鱼类和其他生物 的生存。对虾育苗的适宜 ph 为 8.5，河蟹育苗的适宜 ph 为 8.08.5，淡水养殖品种的适宜 ph 为 6.59.0，海水养殖品种的适宜 ph 为 7.58.5。ph 值过高或过低，对水产养殖动物都有直接 的损害，甚至会造成死亡。ph 低